高中物理牛頓第二定律教學(xué)淺談

【摘 要】 ? 作為高中階段物理學(xué)科中重要概念之一，牛頓第二定律在整體知識(shí)結(jié)構(gòu)中有著重要的承上啟下作用，是對(duì)高中階段物理知識(shí)的有效連接。不少物理教育工作者將牛頓第二定律視為高中物理教學(xué)的核心。依據(jù)自身從事高中物理教學(xué)的多年經(jīng)驗(yàn)，筆者針對(duì)高中物理牛頓第二定律中的力學(xué)知識(shí)進(jìn)行了知識(shí)框架的概括總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】高中物理;牛頓第二定律;教學(xué);實(shí)驗(yàn)

作為高中階段典型的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，牛頓第二定律相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)而言，無論是實(shí)驗(yàn)過程還是實(shí)驗(yàn)手段都較為簡(jiǎn)單，然而簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)過程與實(shí)驗(yàn)手段不代表實(shí)驗(yàn)思想和實(shí)驗(yàn)方法也同樣簡(jiǎn)單。在復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)關(guān)系面前，簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)操作更加能夠闡述其中的科學(xué)道理，這是實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索性和啟發(fā)性特征的體現(xiàn)。

一、關(guān)于牛頓第二定律

在牛頓第二定律中，物體加速度大小隨著物體自身受到的作用力增大而隨之增大，與此同時(shí)物體質(zhì)量趨于減小，合外力方向與加速度方向相一致，即公式為F=ma。牛頓第二定律是對(duì)物理學(xué)中運(yùn)動(dòng)和力關(guān)系的一種概括，是較為經(jīng)典的物理學(xué)定律。曾經(jīng)在慣性定律中我們了解到并非是導(dǎo)致物體運(yùn)動(dòng)的原因，顯然這與生活經(jīng)驗(yàn)內(nèi)容相違背，而在牛頓第二定律中我們認(rèn)識(shí)所謂的運(yùn)動(dòng)過程側(cè)重是指物體運(yùn)動(dòng)過程中狀態(tài)的變化，在力的作用下物體運(yùn)動(dòng)方向或是速度發(fā)生了改變。

1.相互作用力

物理運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變是受到力的作用的影響，我們經(jīng)常在生活中碰到這樣的例子，比如車輛在行使過程中的加速或是減速操作正是由于車輛自身運(yùn)動(dòng)速度受到摩擦力和牽引力的影響。加速運(yùn)行時(shí)氣缸中有大量汽油在燃燒，在傳動(dòng)裝置作用下牽引力產(chǎn)生，加之滾動(dòng)摩擦力的影響，使得車輛運(yùn)動(dòng)方向與合力方向相一致，進(jìn)而形成加速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，這一過程中滾動(dòng)摩擦力隨之增大，直到與牽引力達(dá)到相互平衡的狀態(tài)。

2.重力場(chǎng)運(yùn)動(dòng)

除了相互作用力和運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系問題外，牛頓第二定律在力學(xué)方面還涉及到重力場(chǎng)中力的應(yīng)用問題。比如石子在斜上拋過程中初始的力一般都較為短暫，不易被察覺，在較大的加速度作用下飛快運(yùn)動(dòng)。需要注意的是，在初始力作用下石子運(yùn)動(dòng)速度減少再受到初始力作用影響，這其中不計(jì)與空氣摩擦產(chǎn)生的作用力，因此重力是唯一對(duì)石子產(chǎn)生的作用力。在重力的影響下，石子對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有了顯著改變，這可從運(yùn)動(dòng)石子的大小及運(yùn)動(dòng)速度等方面得以體現(xiàn)。從運(yùn)動(dòng)合成及分解原理分析，這一運(yùn)動(dòng)作用力可被劃分為垂直方向上的作用力與水平運(yùn)動(dòng)方向上的作用力兩個(gè)方面。水平方向并不存在其余外力的影響，因此對(duì)應(yīng)的石子運(yùn)動(dòng)速度并不會(huì)產(chǎn)生明顯變化，至于垂直方向上的作用力則是受到重力的影響，并且在重力方向上還存在加速度的影響，這就使得垂直方向上的石子運(yùn)動(dòng)在具體速率方面呈現(xiàn)出先減小，而后在反方向迅速加速運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。

二、牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)操作

作為物理概念從理論演變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的必要基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)操作的重要性不可忽視，實(shí)驗(yàn)是幫助學(xué)生提升對(duì)物理概念感性認(rèn)知的最直接手段。關(guān)于牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)操作過程可從教材中的實(shí)驗(yàn)獲得教學(xué)靈感，以此加深學(xué)生對(duì)牛頓第二定律內(nèi)容的本質(zhì)理解。

1.實(shí)驗(yàn)裝置

如下圖1所示，實(shí)驗(yàn)過程中的長(zhǎng)木板需要在其中一端設(shè)計(jì)定滑輪，并將其設(shè)定為滑塊A與B，二者材料相同，置于長(zhǎng)木板后借助不可伸長(zhǎng)的輕繩連接滑塊A與B，并將右邊連接與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器紙帶相穿。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

2.細(xì)節(jié)引導(dǎo)

緩慢抬起長(zhǎng)木板后在滑塊A置于長(zhǎng)木板處時(shí)將其固定住，盡管教師能夠理解這是平衡摩擦力作用，然而學(xué)生卻可能存在不明白的地方，這就需要教師對(duì)其進(jìn)行有效的引導(dǎo)，比如對(duì)學(xué)生提問若是模板抬起角度小則對(duì)應(yīng)的滑塊A會(huì)不會(huì)出現(xiàn)下滑現(xiàn)象。能夠沿著長(zhǎng)木板下滑這一過程能夠闡述怎樣的道理，這能夠幫助學(xué)生更好地理解和運(yùn)用摩擦力的概念。

3.實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)完成后教師可指導(dǎo)學(xué)生借助坐標(biāo)紙上作圖的方式來加深對(duì)牛頓第二定律相關(guān)概念的理解，牛頓第二定律關(guān)系圖中的a-F或a- 直線是過原點(diǎn)的，然而實(shí)際操作過程中學(xué)生能夠計(jì)算得到的數(shù)據(jù)卻并不一定達(dá)到預(yù)期效果，經(jīng)常出現(xiàn)的情況是圖像末端在原點(diǎn)處發(fā)生彎曲，進(jìn)而導(dǎo)致圖像不經(jīng)過原點(diǎn)。學(xué)生可以分析若是摩擦力平衡狀態(tài)下發(fā)生傾角過大或是過小的問題則對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)圖像是怎樣的，發(fā)生圖像末端彎曲的主要原因是什么。對(duì)待真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生應(yīng)當(dāng)尋找其中存在的原因，切忌簡(jiǎn)單化處理，并對(duì)其中的預(yù)期現(xiàn)象進(jìn)行深入闡述，理清牛頓第二定律的概念，形成正確的實(shí)驗(yàn)認(rèn)知，這是掌握和應(yīng)用物理知識(shí)的關(guān)鍵所在。

4.習(xí)題評(píng)講

作為物理問題情境設(shè)置的重要方式，習(xí)題的評(píng)講過程能夠幫助學(xué)生更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)化規(guī)律的吸收，且促進(jìn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能與方法的完善，這既是實(shí)驗(yàn)延伸的重要過程，更是對(duì)牛頓第二定律的有效應(yīng)用，習(xí)題評(píng)講中能夠再一次對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行受力分析，加深理解。

綜上所述，除了物理思想外，牛頓第二定律中還包含了豐富的物理實(shí)驗(yàn)方法，是后續(xù)物理課程學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)，這就需要教師在講授牛頓第二定律時(shí)融入該定律建立與推導(dǎo)的相關(guān)過程，引導(dǎo)學(xué)生了解牛頓第二定律的形成全過程，這不僅能夠讓學(xué)生更好地掌握基本物理知識(shí)，且有利于學(xué)生對(duì)自然界運(yùn)動(dòng)定理的理解，這對(duì)于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升和正確實(shí)驗(yàn)觀的樹立都有積極影響。

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【作者簡(jiǎn)介】

李輝，男，1984.10.05，陜西渭南，工作單位：渭南市鐵路自立中學(xué)，本科，中學(xué)二級(jí)，滬科版物理。

（作者單位：渭南市鐵路自立中學(xué)）